散货船舷侧结构可靠性外文翻译资料

 2022-09-09 16:19:27

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散货船舷侧结构可靠性

黄衍顺（Huang Yanshun），涂红（Xuhong），王麟（Wanglin）

（土木工程，天津大学，天津300072，中国）

摘要：散货船的舷侧是船体结构中最薄弱的环节之一，因此如何让提高舷侧强度已经成为设计的关键技术问题，采用双舷侧结构形式是解决该问题的一种切实可行的办法，本文将散货船的极限弯矩和最大结构剪切应力（单壳和双壳)分别计算采用组合矩是由随机过程的确定。然后进行可靠性评估。结果表明通过引入双壳结构。舷边的剪切应力可以被减小到初级结构的一半（50.7%）。但对纵向强度的影响不明显。最后。研究了不同的边皮宽度对极限弯矩和最大剪应力的影响。其次是建议的双弦宽度的选择。说明了采用双舷侧结构形式可以提高舷侧强度，结果表明双壳之间的宽度存在最佳值。

关键词：散货船：单体：双壳；可靠性

物流管理信息系统（LMIS）伤亡数据库显示，结构失稳造成了19%的散货船的经济损失和人员伤亡74%，在目前失效事件的的结构可靠性研究结构的焦点似乎是合理的。然而实际上近年来散货船方面海损事故的主要原因是结构设计不合理。统计数据还显示，约70%的伤亡源自于散装船的舷侧进水引起的故障，使舱盖和围板或在前端失效。因此对散货船的极限抗弯强度和舷侧的可靠性评估是船舶安全极为重要的一环。

在这项工作中，单壳散货船建模成双壳结构。比较了两者的可靠性。结果表明，舷侧双壳散货船剪切应力降低很多，结构破坏概率减少。双壳结构增强了扭转刚度，避免了在外壳上的腐蚀。双壳结构是提高了壳侧对保证船舶安全强度的有效性，但对总纵强度的影响是不明显的。最后，研究了双壳取不同宽度是极限弯矩和最大剪应力的变化趋势，经分析发现，双壳宽度有最优解，可使剪应力达到最小。

1.组合弯矩

船舶结构设计现在正向着概率评价的方向发展，设计变量的不确定性可能来自于载荷的随机性，但由于船型系数相互之间有密切关系，所以只需考虑其中一项作为计算依据，这可以通过可靠性方法定量解决，即评估现有设计的安全性水平，或者确定设计过程中安全稀疏的值，以达到预先规定的安全水平。计算静弯矩来评估时纵强度，计算波浪弯矩来评估壳体的总纵弯矩。

在实际船舶法规中由分类社会国际协会（LACS）认可船级社如中国船级社（CCS）[ 1 ]，由挪威船级社（DNV）[ 2 ]和(SLL）[ 3 ]这样的池发布实际船舶静水和波浪弯矩的规律，静水和波浪弯矩会同时增加，即两个极大值在设计周期的同一时间出现。静水和波浪弯矩不被视为随机过程，但是被soding定义为随机变量 [ 4 ]。这表明定义法在实际船舶应用中是保守的。变量的不确定性可能来自于载荷的随机性，可以通过可靠性方法定量解决，即评估先设计的安全性水品或者确定设计过程中安全系数的值，以达到安全水品。

在船舶结构设计中，特别是在船级社的规范中，主要考虑两大因素是静水载荷和波浪载荷。后者的概率特性从上世纪就已经被重视并加以研究。但目前研究还不够深入。由于二者不服从相对简单的表达式，因此正能通过考察大量经验数据而获得。

Moan和jiao的论文中的定义模型适用于本文。可以定义为静水弯矩过程之和与最大垂向波浪弯矩在给定装载状态下的包络过程，静水和波浪弯矩被看作是随机的过程，波浪取决于自然过程，静水载荷的变化是人为活动的影响，然后结合。常规船的各个尺寸间存在很大的相关性。装载定义模型可以用于降低加入最大载荷时的保守型。

共同弯矩可以被定义为在给定的负载条件下，静水弯矩和最大波浪弯矩是相互叠加的，公式为

（1)

tau;取给定载况下的一个持续时间值，Mt（tau;）和Ms（tau;）定义为给定载况下的共同极限弯矩和极限静水弯矩，M W（t）的局部极大值（极限波浪弯矩）可以被建模为一个gamma;w·根据极限共同弯矩这个包络过程M1（T），因此是一个泊松矩形，脉冲过程如图1所示。用Larrahee的一个结论，该极限组合弯矩的概率函数表示如下。

（2）

式中vW的平均波周期等级；VS，是静水装载情况所达到的等级

静水载荷抱愧弯矩、剪力和侧压力。静水载荷在一定的装载状况下保持恒定。但如果状态改变静水载荷也将随着改变，因此从长期的角度应将其视为随机过程。在静水载荷中最主要的部分是静水弯矩，可以通过泊松脉冲过程来模拟静水弯矩在时间轴上的变化如下图

图1矩形脉冲过程和尖峰过程的包络过程

静水弯矩在空间上的变化主要取决于载重量及其在船舶纵向的分布情况。在设计过程中，最大静水载荷的强度和位置变化是未知的。但普遍认为最大弯矩发生在船中部分。波浪弯矩是由于波浪产生的作用力，包括垂向和水平的弯矩、扭矩、剪力、水压力，同时还有瞬时作用力，如抨击力等，由于海浪具有随机特性因此波浪载荷无论从短时间还是长时间来说都是一个随机过程，合理选择设计值是一个复杂的决策过程，因为其中包含很多变量和不确定因素。

非线性相应的影响对于方形系数小的船舶来说是至关重要的，它将引起中拱弯矩和中垂弯矩之间的差异。用此方法得来极限组合弯矩处为Mt1，因此对应于一个可能的平均速度。出于实际情况的设计考虑，荷载组合系数为静水和波浪弯矩组合，分别标记为Psi;S和Psi;W，下面分别介绍了以下设计方程：

（3）

设计中，上式：Mt，T ，MW,T和MS,T指代Mt，0，MW,0和Ms，0设计中T0恒等于 20年。

Mt，0由Ferry Borges方法确定

（4）

对于一个大的变量vW/vS我们有

（5）

將式（5）代入式（4），得到下式

（6）

然后加下式确定Mt，0，

（7）

装载模型即被定义。

壳体会坏的极限情况如下式确定：

（8）

其中M u是竖向极限弯矩；Xu，XW和XNL是极限弯曲时刻的不确定性变量，波浪弯曲为非线性。Xu为平均值1的正态分布，而变异系数估计为0.15。考虑到在一个正态分布的随机变量的非线性波的影响,中垂和中拱按以下公式定义：

（9）

（10）

ML，MS，MH是线性垂直波浪弯曲力矩，分别对应中垂和中拱的垂直波浪弯曲的时刻。Xw也是可靠性计算过程中引入的随机变量，XW，是用来介绍海洋条件的不确定性。该表达式也明确了方形系数对于非线性相应的重要性。

在波浪载荷中最主要的部分就是垂向波浪弯矩长期波浪弯矩可以模型化为泊松过程在本文中，一个正态分布函数假定平均值为0.70,变异系数等于0.15。可靠性指标beta;由遗传算法得到。

  1. 实际船舶的例子

以“慢海”散货船为例。舷侧板为结构最薄弱的部分之一，当船体发生扭转时顶边舱和底边舱与总体同时发生各自扭转，从而对舷侧产生影响。分本次计算将分别对单侧舷和双侧舷情况下进行计算，以及极限弯矩和最大剪切应力在两种结构形式的剪应力（单壳和双壳）的计算。关于总纵强度的可靠性评估与极限强度计算。同时计算了最大剪应力。主体尺寸见表格1。

船长 L/m

180.80

船宽 B/m

32.20

型深 D/ m

16. 25

干弦 d/m

11 . 47

方形系数 Cb

0.817,7

表1 “Manhai”散货船主尺度

“慢海”散货船船体结构进行双壳改在，由单壳替换为双壳。根据母型船资料即施工要求，外部和内部（双壳宽度）之间的宽度为1.2米,根据母船和施工数据要求。根据CCS规范要求将顶边舱和底边舱在双舷侧间分改为平台在双壳的部分根据应满足的CCS标准的要求。斜顶纵向设置优先,首尖舱和顶边舱之间双方将削减。在强大的帧号，设置横向框架之间的平台；强肋位上设置平台间加设框架。两结构计算图如图2所示；计算过程的参数如表格2所示。

图2

（a）单壳散货船 （b）双壳散货船

表2参数选则

参数 分布或值

双参数威布尔分布。（变量的范围是0.86-1.07；hw

形状参数，通常取1，长线行波的分布服从指数分布。

MW


中垂：瑞利分布

MS 中拱：指数分布

式中Vw为波浪弯矩的平均到达率也可以称为一个波浪周期的平均到达率，hW为形状参数，其变化范围在0.86-1.07，十分接近于1（通常取1）必须指出的是以上公式是在假定各波峰之间互相不影响的前提下得出的。

根据DNV规范，设计寿命周期T0=20年，极限静弯矩的设计公式为

（11）

当方形系数CW，L为船厂,B为型宽，Cw为波浪系数

（12）

在整个设计过程中设计寿命周期内波浪弯矩最大最大波浪弯矩MW,0为

（13）

这个公式是在船体梁波浪响应线性计算结果的基础上进行了非线性修正，并充分考虑了不同船级社所建立的计算公式后得出的。双壳结构的MS,0和MW,0单壳结构可以从如下表中获得（见表3）。

表3最大静水弯矩MS，O和最大波浪弯矩MW，O KN·m

类型 MS,0 MW,0

中垂

中拱

中垂和中拱的定义模型可以用Matlab计算得：可得波浪组合因子在两种状态下分别为：

Psi;W=0.6413(中垂）；Psi;W=0.6568（中

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